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1、人工冻土力学研究现状摘要：在城市建设的发展过程中，我们更多的城市建设项目转移到地下进行，当 我们在施工过程中遇到富水岩层或流速过大的软弱地层，需要借助辅助的工法才 使得施工得以安全开展，因此人工冻结技术在矿井、隧道、深基坑等工程领域的 广泛应用。人工冻土的力学特性指标是冻结法凿井中冻结壁设计参数和开挖的依 据，使人们更加迫切地认识到对人工冻土力学特性研究的必要性。本文通过查阅 大量文献资料，探究人工冻土力学特性当前的研究现状。 关键词：人工冻土；力学特性；研究现状1 概 述随着生产力的发展和科技进步以及社会需求的不断增长，浅表资源的贫化逐 渐使世界工程建设转向地下，地下电站、地下铁道、越江越海
2、隧道、地下市政和 深部矿山等建设越来越多，所遇到的问题也越来越复杂。如何从理论上、技术上 安全、有效地解决地下工程所面临的新问题、新情况，不仅关系到在建工程的施 工进程而且关系到工程完工后的安全运营和上部建筑物的稳定。就目前的工程建 设而言，所有地下工程所面临的首要问题就是如何对深部空间进行开挖，尤其是 在软弱的、含水土层中进行开挖。与现有的、比较成熟的几种地下开挖施工方法 相比较，人工土冻结法由于基本不受支护范围和支护深度的限制，能有效防止涌 水以及城市挖掘、钻凿施工中相邻土体的变形而成为地下工程的主要技术手段之 一，从而在许多国家的煤矿、隧道、地铁和建筑基础等领域得到广泛应用。所谓 人工冻
3、结技术是指对深部天然土体在原始地压作用下以人工制冷方法将低温冷 媒送入具有一定含水率和地下水流速的软弱地层中，使地层中的水与周围土颗粒 发生冻结，从而形成强度高、弹模大和抗渗性好的冻结壁，然后在冻结壁的保护 下进行内部开挖和永久支护结构施工的一种特殊地层加固方法。冻结壁的强度和 变形是决定人工冻结技术在深部空间开挖过程中应用成败的关键因子，但是，由 于近年来开挖深度的逐渐加大，人工冻结技术在深部工程建设实践过程中就遇到 了许多难以用经典冻土力学来解释或解决的问题，譬如，由于使用经典冻土力学 的研究成果去设计深部冻结壁，造成冻结壁径向变形量过大、冻结管断裂、井壁 破裂漏水甚至淹井等工程事故，这些
4、工程事故促使许多学者不得不考虑现有冻土 力学理论的适用范围、适用条件以及深土人工冻土的形成机理、冻胀、融沉机理 和高压力作用下形成冻土的力学特征等科学问题。由此诞生了深土冻土力学的研 究，它属于岩土力学研究中的一个新的分支，以深土土力学研究和现有冻土力学 为基础，以研究深部冻结壁和井壁受力问题为核心，以研究高压力作用下形成冻 土的形成机理、力学特征、本构关系、破坏准则、强度理论为课题，以服务于人 工冻结技术在深部空间开挖中的应用为最终使命，来保证深部空间开发的顺利实 施。2国内研究现状2016年安徽理工大学周艳对陕北地区人工冻土蠕变试验研究：以榆林小纪汗 煤矿井筒检查孔为研究对象，3个不同层位
5、的土体为试验对象，根据冻土的单轴 抗压强度试验、单轴蠕变试验及其数据分析得到冻土本构关系曲线以及蠕变曲线 规律。冻土的蠕变特性表现为两方面，在低应力下冻土蠕变呈衰减型，在高应力 下呈非衰减型。由本构关系曲线可以看出刚开始的1 h 应变随时间增加变化较 快，随后应变逐渐增大，但变化速率越来越慢。2015年11月中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室展开对 人工冻土融沉试验及融沉系数预测研究：以徐州黏土冻融为研究对象，通过人工 冻结土融沉特性试验，分别开展了人工冻土不同含水率、不同单向冻结温度梯度、 不同外荷载的冻融特性分析。试验系统补水情形下，相同单向冻结温度梯度下， 随着外载荷的增大
6、融沉量随之增大，两者增长趋势一致，但幅度不一致。基于对 冻土融沉特性受多因素综合影响的认识，采用改进的人工神经网络方法，建立了 多样本、多因素影响下的融沉系数关系数据库，误差分析表明，改进的预测算法 具有较好的精度。2015年7月天津大学关于人工冻土冻结过程中热-力耦合的数值模拟方法研 究：结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程，提出并建立了人工冻结过程中考 虑热物理参数随温度变化的热-力耦合的数值计算方法，利用该方法计算分析了 人工冻结过程中土体位移场的发展规律，通过与实测数据对比，证明了该方法的 可行性，成果可以指导人工冻土工程的设计与施工。2014 年马芹永关于人工冻土单轴与围压状态动力学
7、性能对比分析：两种受 力状态对比分析，主要是研究围压状态下的力学性能与单轴状态下两种不同受力 状态下的力学性能异同。以重塑冻结黏土为例，在温度为一8C、一12C、一16C 条件下，进行单轴和围压两种受力状态的冲击压缩试验，并对比分析，得到单轴 和围压状态冻土破坏分别呈脆性和黏塑性破坏特征，围压作用改变了冻土的破坏 模式；当应变率相同时，两种受力状态冻土的最大应力均随温度的降低而增大， 表现出较强的温度效应；当温度和冲击气压相同时，围压状态和单轴状态表现出 明显不同的动力特性，且围压状态下最大应力明显高于单轴状态下最大应力，呈 现出明显的应力强化特性。2014年6月安徽理工大学对人工冻土蠕变非定
8、常开尔文模型展开研究：考 虑到某些参数会受到时间的影响，以广义开尔文模型为基础，建立了非定常开尔 文蠕变模型，其公式推导严密，模型具有明确的物理意义且模型参数少；用非定 常开尔文模型结合粒子群优化方法对不同温度下的蠕变规律进行了模拟，得到了 相应的参数。通过与试验值对比，发现非定常开尔文模型能很好的模拟蠕变曲线， 相关系数基本都在 0.995 以上，为人工冻土领域的计算提供了一个新思路。本 文只研究了一种土性(安徽界沟矿区粘土)的模拟，研究模拟结果比较好，是否 能很好的模拟其他土性和是否能很好的模拟其他温度的蠕变模型将是下一步研 究的方向。2014年3月安徽理工大学冻土力学研究所关于人工冻土单
9、轴抗压强度灰色理 论预测：人工冻土的物理力学指标是冻结法凿井中冻结壁设计参数和开挖的依 据，为提高人工冻土单轴抗压强度预测的精确度与稳定性， 利用灰色理论处理 小样本数据的独特优势， 结合影响人工冻土单轴抗压强度因素， 提出了人工冻 土单轴抗压强度的预测方法。针对传统GM(1, 1)模型预测产生的较大误差的缺 点，增加了原始序列的光滑度，并优化了时间响应函数，建立了改进的新的模型。 结果表明，利用改进的模型的预测精度优于传统模型。该模型为人工冻土单轴抗 压强度的预测提供了一种新方法。2014年马巍对分级加载下冻土动弹性模量的试验研究：基于黏弹性理论，将 动态弹性模量的最大值定义为冻土的动模量，
10、通过计算滞回曲线中直线斜率的方 法来计算冻土的动模量。通过动三轴试验，对不同频率、围压和负温条件下冻土 的动模量随动应变幅的变化规律进行了试验研究，结果表明：在不同频率、围压 和负温条件下，同一级加载下，动模量随着振次的增加基本不变，可以采用平均 值来表征该级加载下的动模量；对于青藏黏土和兰州黄土，不同频率条件下，动 模量随动应变幅的增加最终趋于一稳定值，该稳定值随加载频率的增加而增大； 不同温度和围压条件下，随着动应变幅的增加，动模量先减小再趋于一个稳定值， 该稳定值随围压的变化较复杂，随温度的降低而增大。2014年张公对人工冻土蠕变指标试验研究：通过不同温度、不同加载应力作 用下冻结兰州黄
11、土、黏土、砂质黏土的蠕变试验，分析了蠕变曲线、初始应变、 流变起始应变与流变起始时间、破坏应变与破坏时间及相对蠕变指标 结果表 明：3种土质冻土的蠕变曲线变化规律大致相同，加载过程中，应变非线性增加， 且加载应力越大、温度越高，初始应变越大; 流变起始时间与破坏时间都与加载 应力、温度有密切关系，加载应力越大、温度越高，越先出现流变和破坏。对于 相同的土质，加载应力和温度对流变起始应变、破坏应变的影响不大;对于不同 土质的初始应变、流变起始应变和破坏应变，都是黏土最大、砂质黏土次之、兰 州黄土最小。3种土质冻土的初始加载段和非稳定蠕变段所占的时间较短，但产 生的应变却较大; 同时，温度越高，相
12、对流变时间越短、相对破坏时间越长，说 明非稳定蠕变阶段所占的时间随温度的升高而变短、稳定蠕变阶段所占的时间随 温度的升高而变长2012年对单轴动态加载下冻土的力学性能实验研究：为研究冻土单轴加载下 的冲击动态力学性质，采用分离式霍普金森压杆（SHPB）在-28-3C不同负温 下对人工冻土进行了冲击实验。获得了人工冻土在不同温度与不同应变率下的应 力应变关系，发现人工冻土具有显著的应变率效应和温度效应，即冻土动强度随 应变率增大和温度的降低而增大。单轴高应变率加载下，冻土没有明显的屈服现 象,加载后试样完全破坏。3结论通过以上现状分析，可以得出如下结论：（1）由于冻土的力学性质与温度、含水率、土
13、的密度以及土的类型有关， 目前的研究工作多是针对某一影响因素开展的，有必要收集已有的试验资料，建 立起冻土力学性质数据库。（2）对于冻胀的研究较为深入，对融沉的研究多停留在经验方法上。一方 面可以应用人工神经网络提高经验方法的精度和适用范围，另一方面应当发展融 化固结大变形理论。冻融循环对土力学性质的影响应当引起更多的重视。（3）冻土强度的研究多沿用融土的强度理论，很难反映高应力状态下的压 融现象；冻土动力学特性以研究温度对动力学参数的影响为主；冻土的本构关系 多集中在蠕变研究，以经验公式法为主，有必要建立和完善冻土的本构关系。参考文献：1 马巍,王大雁深土冻土力学的研究现状与思考J.岩土工程
14、学报，2012, 06： 11231130.1周艳，李栋伟.陕北地区人工冻土蠕变试验研究J.煤炭技术，2016, 02： 144146.2 孙立强，任宇晓，闫澍旺,杨爱武，韩圣章.人工冻土冻结过程中热-力耦合的 数值模拟方法研究J.岩土工程学报,2015,S2:137-142.3 陶祥令，马金荣,黄凌.人工冻土融沉试验及融沉系数预测研究J.采矿与 安全工程学报,2015,06:996-1003.4 牛连僧，姚兆明，亓燕秋人工冻土单轴抗压强度灰色理论预测J.安徽理工 大学学报（自然科学版）， 2014， 01:6-10.5 马芹永, 袁璞, 陈文峰, 张经双. 人工冻土单轴与围压状态动力学性能对
15、比分 析J.地下空间与工程学报,2014,01:26-29.6 毛芬，姚兆明.人工冻土蠕变非定常开尔文模型J.安徽理工大学学报（自 然科学版）,2014,02:13-16.7 张海东，朱志武,宁建国，马悦，蒋晗.冻土单轴动态加载下的力学性能J. 固体力学学报,2014,01:39-48.8 牛连僧，姚兆明，亓燕秋.人工冻土单轴抗压强度灰色理论预测J.安徽理 工大学学报（自然科学版）,2014,01:6-10.9 罗飞，赵淑萍，马巍，焦贵德，孔祥兵. 分级加载下冻土动弹性模量的试验研究 J. 岩土工程学报，2013，05:849-855.10 方蕾蕾.不同冻结温度下人工冻土热力学性质及蠕变特性试验研究D.安 徽理工大学，2015.11 董连成，张公，赵淑萍,潘卫东，李广影.冻土蠕变指标试验研究J.冰川冻 土， 2014， 01：130136.
